李學(xué)鵬，李慶軍，薛峰，王樹潭，張萬祥，陳奇，常偉

(1.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075；2.國(guó)網(wǎng)青海省電力有限公司，青海 西寧 810008；3.國(guó)網(wǎng)青海省電力建設(shè)公司，青海 西寧 810008)

換流站接地極是直流輸電工程換流站的重要組成部分，起著鉗制中性點(diǎn)電位、通流不平衡電流以及在線路檢修或單級(jí)大地運(yùn)行時(shí)提供大地返回通道的作用[1-4]。當(dāng)直流電流或不平衡電流導(dǎo)入大地后，導(dǎo)入點(diǎn)附近電位相對(duì)會(huì)升高，中性點(diǎn)接地的變壓器繞組中會(huì)流入直流電流[5-6]。變壓器繞組通過直流電流時(shí)，在鐵心中將產(chǎn)生直流磁勢(shì)，導(dǎo)致鐵心磁密工作點(diǎn)偏移，這種現(xiàn)象稱為直流偏磁。直流偏磁使變壓器鐵心處于半周飽和，鐵心的飽和使漏磁增加，進(jìn)而引起金屬結(jié)構(gòu)件和油箱局部過熱，可能導(dǎo)致絕緣老化和變壓器油分解，影響變壓器的壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至可能損壞變壓器，危及到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-13]。

現(xiàn)有對(duì)交流變壓器直流偏磁特性的研究，多是通過分析直流偏磁產(chǎn)生的機(jī)理，優(yōu)化仿真模型，以接地極電流場(chǎng)仿真結(jié)果為出發(fā)點(diǎn)，提出直流偏磁的治理范圍或重點(diǎn)研究直流偏磁的治理措施。本文的主要目的是研究接地極入地電流對(duì)周圍變電站的影響范圍，評(píng)估直流偏磁的影響程度，以便提前確定停電時(shí)間和治理方案。目前對(duì)接地極直流偏磁已有的研究方法主要是通過對(duì)接地極土壤及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，計(jì)算接地極入地電流在周圍電網(wǎng)變壓器中產(chǎn)生的直流偏磁電流的分布情況，但實(shí)測(cè)的土壤電阻率范圍有限，影響了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文擬在實(shí)測(cè)電阻率建模的基礎(chǔ)上，利用調(diào)試期間周圍變電站直流偏磁電流實(shí)測(cè)值對(duì)土壤電阻率進(jìn)行修正，提出相應(yīng)變壓器直流偏磁的治理建議，也為該地區(qū)后續(xù)新建或擴(kuò)建變電站的直流偏磁治理提供計(jì)算依據(jù)。本文內(nèi)容主要包括直流偏磁計(jì)算模型分析、青海海南地區(qū)電網(wǎng)建模和計(jì)算、計(jì)算結(jié)果分析及主要結(jié)論4部分。

1 直流偏磁的影響及計(jì)算模型分析

1.1 直流偏磁參數(shù)的原因分析

當(dāng)直流系統(tǒng)處于單極大地運(yùn)行方式時(shí)，直流電流會(huì)注入接地極，將在接地極附近土壤中形成恒定的直流電流場(chǎng)[14]。進(jìn)入變壓器繞組的直流電流在鐵心磁路中產(chǎn)生直流，進(jìn)而在鐵心磁路中產(chǎn)生直流磁化強(qiáng)度，由于變壓器鐵心的磁滯特性，直流磁化強(qiáng)度與交流磁化強(qiáng)度相互影響，造成交流磁化強(qiáng)度產(chǎn)生變化，于是產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象。直流偏磁使變壓器勵(lì)磁電流在飽和半周出線尖峰，另半周收縮，波形不僅比正常時(shí)畸變嚴(yán)重，而且正負(fù)半周不再對(duì)稱，出現(xiàn)偶次諧波。直流入地電流進(jìn)入交流系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

1.2 變壓器直流電流允許值

變壓器中性點(diǎn)電流直流分量增大會(huì)引起變壓器振動(dòng)加劇，噪聲增加，而變壓器容許的直流電流在很大程度上取決于變壓器設(shè)計(jì)，與變壓器結(jié)構(gòu)、鐵心材料、磁通密度取值相關(guān)。一般情況下匝數(shù)越多，容量越大，相柱鐵心面積越大，變壓器飽和就越嚴(yán)重；相關(guān)研究表明單相變壓器和殼式變壓器受直流偏磁影響程度最大，三相四柱和三相五柱次之，而三相三柱側(cè)基本不受直流偏磁影響；自耦變壓器較其他類型變壓器受直流偏磁影響程度最大[15-16]。

圖1 直流入地電流進(jìn)入交流系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of DC ground current accessing into AC system

依據(jù)青海海南換流站換流變招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書及《35～750 kV變電站通用設(shè)備分冊(cè)》[16]中的變壓器技術(shù)參數(shù)要求，一般換流變壓器三相承受直流偏磁不小于10 A，750 kV和500 kV變壓器三相可承受的直流電流不小于6 A，330 kV和110 kV變壓器三相可承受直流電流不小于10 A，具體數(shù)值需根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算情況在招標(biāo)文件中提出具體要求[17]。

從預(yù)防直流偏磁的角度出發(fā)，此工程換流變壓器三相直流偏磁控制值取10 A；750 kV和500 kV變壓器三相直流偏磁電流控制值取6 A；330 kV變壓器三相直流偏磁電流控制值取10 A； 110 kV變壓器三相直流偏磁電流控制值取10 A。

2 青海電網(wǎng)直流偏磁分布建模和計(jì)算

2.1 大地模型的測(cè)量與建模

根據(jù)極址電流場(chǎng)分布的基本原理，極址周邊區(qū)域的電位分別主要受極址區(qū)域淺層土壤電阻率決定；而遠(yuǎn)離極址的土壤中電位分布主要與極址深層土壤電阻率有關(guān)。四極法屬于電測(cè)量方法，具有局部分辨率高的特點(diǎn)，但測(cè)深不足，難以穿越高阻層；大地電磁法(MT法)屬于磁測(cè)量方法，利用平面波形的天然電磁法作為激勵(lì)，測(cè)深可達(dá)數(shù)百甚至上千千米，但無法取得地下1 km深度范圍內(nèi)的大地電阻率分布[18-19]。綜合2種方法的特點(diǎn)，本工程對(duì)淺層土壤電阻率采用四極法測(cè)量，對(duì)深層土壤電阻率采用電磁法測(cè)量。

對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)在工程上采用二層量板和輔助量板法進(jìn)行土壤電阻率定量解釋，對(duì)于個(gè)別畸變曲線進(jìn)行合理的平滑。計(jì)算采用電力工程接地技術(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件集成系統(tǒng)對(duì)實(shí)測(cè)土壤電阻率進(jìn)行擬合和反演，青海海南換流站接地極極址的大地電阻率模型、水平分層土壤電阻率見表1。

表1 青海海南換流站接地極土壤結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Tab.1 Soil structure calculation model of grounding electrode of Qinghai Hainan converter station

2.2 交流電網(wǎng)直流分布模型

變電站的模型由變電站節(jié)點(diǎn)、變壓器模型、中性點(diǎn)串聯(lián)設(shè)備三部分構(gòu)成，變壓器的模型要依據(jù)繞組的類型和母線的運(yùn)行方式建立，主要由繞組直流電阻組成。

為了仿真和計(jì)算的方便，將變壓器的模型簡(jiǎn)化為如圖2所示的節(jié)點(diǎn)模型，因自耦變壓器的繞組連接方式區(qū)別于其他類型變壓器，所以自耦變的模型要特殊考慮。

圖2 仿真計(jì)算中的變壓器模型Fig.2 Transformer model in simulation calculation

在實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)三相的直流參數(shù)是相互對(duì)稱的，在推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型時(shí)為推導(dǎo)方便將模型看成單相電路，仿真計(jì)算中交流電網(wǎng)的直流電流分布模型如圖3所示。

青海海南換流站接地極模型依據(jù)青海海南藏族自治區(qū)2020年110 kV及以上電網(wǎng)地理接線圖和青海330 kV及以上地理接線圖建立。模型共有變電站144個(gè)，其中750 kV變電站17個(gè)，330 kV變電站62個(gè)，110 kV變電站65個(gè)。青海電網(wǎng)750 kV系統(tǒng)地理位置圖如圖4所示。

青海直流分布建模工作需要考慮兩方面的因素：一是變電站信息，主要包括變電站的地理位置信息、接地電阻、站內(nèi)變壓器參數(shù)、母線和中性點(diǎn)信息；二是線路信息，主要包括線型、回線數(shù)量和長(zhǎng)度等信息，同時(shí)考慮深層電阻率分布的大地模型。

圖3 交流電網(wǎng)直流電流分布網(wǎng)絡(luò)Fig.3 DC current distribution network of AC grid

圖4 青海電網(wǎng)750 kV系統(tǒng)地理信息Fig.4 The geographic information map of 750 kV system in Qinghai power grid

利用計(jì)算軟件建立電網(wǎng)模型地理信息圖，接地極附近的電網(wǎng)分布如圖5所示。

圖5 接地極附近的變電站和線路分布Fig.5 Schematic diagram of the distribution of substations and lines near the grounding electrode

2.3 電位分布計(jì)算結(jié)果

青海海南換流站接地極設(shè)計(jì)的系統(tǒng)條件為額定電流 5 523 A，2 h過負(fù)荷電流6 231 A，雙極不平衡電流10 A。

根據(jù)海南換流站土壤電阻率及區(qū)域地形條件，海南換流站接地極采用淺埋型陸地接地極，電極形狀為同心雙圓環(huán)形，外環(huán)半徑為600 m，內(nèi)環(huán)半徑470 m；電極材料采用直徑為50 mm的高硅鉻鐵棒，電極埋深4.0 m；活性填充材料為石油焦炭，焦碳截面外環(huán)、內(nèi)環(huán)均為 0.80 m×0.80 m；

經(jīng)過仿真模型計(jì)算，接地極極址附近變電站的變壓器中性點(diǎn)直流電流分布計(jì)算結(jié)果見表2，因?yàn)闃O址周圍變電站站點(diǎn)眾多，只列出直流偏磁風(fēng)險(xiǎn)較大的站點(diǎn)和距離接地極較近的變電站變壓器中性點(diǎn)直流電流計(jì)算結(jié)果。

表2 海南換流站接地極周邊變壓器中性點(diǎn)直流電流計(jì)算結(jié)果匯總Tab.2 Calculation results of DC current at the neutral point of transformer around the grounding electrode of Hainan converter station

從表2可知，在青海直流工程投運(yùn)后，青海交流電網(wǎng)受直流偏磁影響最嚴(yán)重的站點(diǎn)是青南換流站和750 kV塔拉變電站，青南換流站換流變壓器中性點(diǎn)入地電流最大為6.82 A，小于換流變直流偏磁限制值(10 A)，故青南換流站不超標(biāo)。塔拉變電站變壓器中性點(diǎn)入地電流最大7.74 A，略微超過限制值(6 A)，從計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)塔拉變電站受直流偏磁影響較嚴(yán)重，故在工程初步設(shè)計(jì)階段預(yù)留了2套隔直裝置，依據(jù)直流工程調(diào)試期間塔拉變電站中性點(diǎn)入地電流及變壓器噪音的實(shí)測(cè)值再確定是否安裝隔直裝置。

3 直流偏磁實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為評(píng)估仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，保證換流站投運(yùn)及后期運(yùn)行的安全可靠，在青豫直流工程單極大地運(yùn)行方式調(diào)試期間，青海省電力科學(xué)研究院分別在接地極注入入地電流1 000 A、3 000 A和5 000 A，對(duì)海南換流站接地極周邊變電站變壓器中性點(diǎn)直流電流實(shí)際情況進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果見表3。

表3 海南換流站接地極周邊變壓器中性點(diǎn)實(shí)測(cè)電流匯總Tab.3 Measured current at the neutral point of transformer around the grounding electrode of Hainan converter station

由表3可以看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果大部分比較接近，或者變化規(guī)律及變化趨勢(shì)比較接近，對(duì)于仿真計(jì)算直流偏磁比較嚴(yán)重的變電站，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的變壓器中性點(diǎn)直流電流值也比較大。

從實(shí)測(cè)值來看，變壓器中性點(diǎn)直流電流的大小與單極大地運(yùn)行方式下饋入大地的直流電流關(guān)系密切，近乎于線性關(guān)系。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，挑選接地極附近主要變電站的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行比較，見表4。

從表4中可以看出實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的變化趨勢(shì)基本一致，尤其是對(duì)于距離接地極較近的站址，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值比較接近，比如塔拉變電站，預(yù)測(cè)的變壓器中性點(diǎn)直流電流為7.74 A，實(shí)測(cè)結(jié)果最大值為8.20 A，也證明塔拉變電站直流偏磁電流確實(shí)超過控制值。但對(duì)于距離接地極較遠(yuǎn)的站，因?yàn)榈乩砦恢貌顒e較大，地理參數(shù)復(fù)雜，仿真模型難以模擬大范圍的直流電流分流情況，會(huì)出現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值差異較大的情況。

表4 周圍變電站變壓器中性點(diǎn)電流計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Tab.4 Comparisons of calculated and measured values of current at the neutral point of transformer around substations

針對(duì)重點(diǎn)關(guān)注但又距離較遠(yuǎn)的變電站，若仿真結(jié)果已顯示變壓器中性點(diǎn)直流電流超出控制值，為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，可采取調(diào)整地理信息參數(shù)的方法，讓已獲得實(shí)測(cè)值的站點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差異盡量小，并用已修正的地理參數(shù)來獲得關(guān)注站點(diǎn)的變壓器中性點(diǎn)直流電流的計(jì)算值。在本工程計(jì)算過程中通過采用此方式修正地理參數(shù)，明顯提高了仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的整體接近程度。

工程實(shí)際運(yùn)行中變壓器對(duì)直流偏磁的反應(yīng)受多種因素的影響，對(duì)于變壓器中性點(diǎn)直流電流實(shí)測(cè)值超過控制值的變壓器，應(yīng)重點(diǎn)考慮限制直流偏磁措施，但也應(yīng)結(jié)合變壓器的實(shí)際運(yùn)行情況。比如塔拉變電站實(shí)測(cè)值超過控制值，但調(diào)試期間塔拉變電站的主變壓器在接地極入地電流5 000 A工況下，主變壓器的噪音和振動(dòng)并未明顯變化，也沒有局部過熱現(xiàn)象，故暫未采取限制直流偏磁具體措施，后續(xù)進(jìn)一步跟蹤變壓器的運(yùn)行狀況再確定是否安裝隔直裝置。

4 結(jié)論

通過對(duì)青海海南換流站接地極對(duì)周邊電網(wǎng)中性點(diǎn)有效接地的變電站、輸電線路進(jìn)行建模，并對(duì)其變壓器中性點(diǎn)直流電流的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的分析，得出如下主要結(jié)論：

a)對(duì)于±800 kV直流工程接地極附近淺層和深層大地土壤電阻率采用四極法和電磁法測(cè)量能夠滿足計(jì)算要求，通過軟件對(duì)土壤電阻率進(jìn)行擬合和反演，得到的分層土壤電阻率模型可以反映接地極土壤電阻率的實(shí)際情況，可用于仿真計(jì)算。

b)在實(shí)測(cè)土壤電阻率模型下，由于海南換流站接地極極址深層土壤電阻率較低，青海海南換流站接地極對(duì)周圍變電站的影響整體較小，因塔拉變電站距離接地極較近，僅塔拉變電站變壓器中性點(diǎn)直流電流高于直流偏磁控制值，其他站點(diǎn)均在控制值范圍內(nèi)，調(diào)試期間對(duì)多個(gè)站點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

c)對(duì)于仿真結(jié)果顯示超標(biāo)又距離接地極較遠(yuǎn)或其他因素導(dǎo)致難以準(zhǔn)確仿真的變電站，可采取調(diào)整地理信息參數(shù)的方法，讓已獲得實(shí)測(cè)值的站點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差異盡量小，并用已修正的地理參數(shù)來獲得關(guān)注站點(diǎn)的變壓器中性點(diǎn)直流電流的計(jì)算值，實(shí)踐表明此方式對(duì)于提高仿真結(jié)果的整體準(zhǔn)確性有很大幫助。利用修正后的模型可對(duì)后續(xù)海南地區(qū)新建變電站的直流偏磁進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便提前確定停電時(shí)間和治理方案。

d)由于實(shí)際交流網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和運(yùn)行工況的差異，某些變電站的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定差異，對(duì)于計(jì)算值在治理限值附近的變電站，應(yīng)通過實(shí)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)變壓器的噪音、振動(dòng)、溫升實(shí)際表現(xiàn)，再確定是否需采取限制直流偏磁措施。